DE102017128077A1

DE102017128077A1 - Modulierbares Sicherheitsventil

Info

Publication number: DE102017128077A1
Application number: DE102017128077.4A
Authority: DE
Inventors: Enno Jan Vrolijk
Original assignee: Ebm Papst Landshut GmbH
Current assignee: Ebm Papst Landshut GmbH
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2019-05-29
Also published as: EP3489558A2; EP3489558A3; US20190162326A1; EP3489558B1; US10808859B2; CN208237190U

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsventil (1) zur Steuerung eines Gasstroms, ausgebildet als Doppelsicherheitsventil, mit einem durch eine an einer Spule (2) angelegten Spannung bewegbaren magnetischen Anker (3), einem ersten Ventil mit einem ersten Ventilkörper (4), einer ersten Ventilfeder (5) sowie einem ersten Ventilsitz (6), und einem zweiten Ventil mit einem zweiten Ventilkörper (7), einer zweiten Ventilfeder (8) und einem zweiten Ventilsitz (9), wobei eine Bewegung des Ankers (3) aus einer Schließstellung des Sicherheitsventils (1) zunächst gegen eine Federkraft der ersten Ventilfeder (5) wirkt und den ersten Ventilkörper (4) von dem ersten Ventilsitz (6) löst und die Bewegung des Ankers (3) anschließend gegen eine Federkraft der zweiten Ventilfeder (8) wirkt und den zweiten Ventilkörper (7) von dem zweiten Ventilsitz (9) löst und damit eine Ventilöffnung für einen Durchfluss des Gasstroms freigibt, wobei eine Federkonstante der zweiten Ventilfeder (8) größer ist als eine Federkonstante der ersten Ventilfeder (5) und eine Durchflussmenge des Gasstroms durch die Ventilöffnung in Abhängigkeit der an der Spule (2) angelegten Spannung zwischen einer Schließstellung und einer vollständigen Öffnungsstellung auch in Teilöffnungsstellungen kontinuierlich regelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein modulierbares Sicherheitsventil zur Steuerung eines Gasstroms, insbesondere zur Verwendung in einem Gas-Luft-Verbundsystem von Verbrennungsanlagen.
Sicherheitsventile werden im Stand der Technik zusätzlich zu Gasregelventilen eingesetzt und sind in einer Weise konstruiert, dass sie im Störfall, z.B. im Fall eines Stromausfalls automatisch schließen und die Gaszuführung sicher abriegeln. Meist wird zur Steuerung des Sicherheitsventils an einer Spule eine Spannung angelegt, die ab einem gewissen Spannungswert einen Anker bewegt und dabei den Ventilkörper von dem Ventilsitz löst und schlagartig in die vollständig offene Stellung verfährt. Sobald der Strom bzw. die Spannung wegfällt, wird der Ventilkörper über eine Ventilfeder zurück auf den Ventilsitz gedrückt. Bekannt sind dabei auch Doppelsicherheitsventile mit zwei integrierten, redundant vorgesehenen Ventilen, die unabhängig voneinander jeweils einen Ventilkörper aufweisen, die im Störfall jeweils auf eigene Ventilsitze treffen, so dass beide Ventile unabhängig voneinander schließen.
Die bekannten Sicherheitsventile dienen ausschließlich zur Gewährleistung der Sicherheit und sind als AUF-ZU-Ventile ausgebildet, d.h. ihre Ventilöffnung ist entweder vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen. Gleiches gilt entsprechend für die Doppelsicherheitsventile, bei denen ebenfalls beide redundant vorgesehenen Ventile vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen sind. Die Realisierung von Teilöffnungsstellungen ist nicht vorgesehen, da dies über gesonderte, in Reihe geschaltete Gasregelventile erfolgt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein modulierbares Sicherheitsventil bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Sicherheitsventil zur Steuerung eines Gasstroms vorgeschlagen, das als Doppelsicherheitsventil mit einem durch eine an einer Spule angelegten Spannung bewegbaren magnetischen Anker, einem ersten Ventil mit einem ersten Ventilkörper, einer ersten Ventilfeder, einem ersten Ventilsitz, und einem zweiten Ventil mit einem zweiten Ventilkörper, einer zweiten Ventilfeder und einem zweiten Ventilsitz ausgebildet ist. Eine Bewegung des Ankers wirkt aus einer Schließstellung des Sicherheitsventils zunächst gegen eine Federkraft der ersten Ventilfeder und löst den ersten Ventilkörper von dem ersten Ventilsitz. Anschließend wirkt die Bewegung des Ankers gegen eine Federkraft der zweiten Ventilfeder und löst den zweiten Ventilkörper von dem zweiten Ventilsitz und gibt damit eine Ventilöffnung für einen Durchfluss des Gasstroms frei. Eine Federkonstante der zweiten Ventilfeder ist dabei größer als eine Federkonstante der ersten Ventilfeder. Somit ist eine Durchflussmenge des Gasstroms durch die Ventilöffnung in Abhängigkeit der an der Spule angelegten Spannung zwischen einer Schließstellung und einer vollständigen Öffnungsstellung auch in Teilöffnungsstellungen kontinuierlich regelbar.
Die Federrate (auch als „Federsteifigkeit“ bezeichnet) der zweiten Ventilfeder wird gegenüber der Federrate der ersten Ventilfeder derart höher festgelegt, dass kontinuierlich veränderliche Öffnungsstellungen des zweiten Ventils und mithin des Sicherheitsventils regelbar sind. Insbesondere übersteigt die Federrate der zweiten Ventilfeder die Federrate der ersten Ventilfeder mindestens um den Faktor 5.
Bei einer Erhöhung der Spannung an der Spule erhöht sich die Magnetkraft auf den Anker und mithin die Vorspannkraft auf die erste Ventilfeder des ersten Ventils. Sobald die Magnetkraft ab einem ersten kritischen Spannungswert die Federkraft übersteigt, löst sich der erste Ventilkörper vollständig und schlagartig von dem ersten Ventilsitz und versetzt das erste Ventil in eine vollständig offene Öffnungsstellung.
Das zweite Ventil bleibt aufgrund der höheren Federrate der zweiten Ventilfeder bei diesem ersten kritischen Spannungswert und der zugehörigen Magnetkraft jedoch noch geschlossen. Die zweite Ventilfeder weist eine Federkonstante auf, die ausgebildet ist, dass sich der zweite Ventilkörper erst nach Überschreiten des ersten kritischen Spannungswert von dem zweiten Ventilsitz löst und eine Öffnungsstellung des zweiten Ventilkörpers und mithin des zweiten Ventils durch die an der Spule angelegten Spannung regelbar ist. Das erste Ventil ist gleichzeitig weiterhin vollständig geöffnet.
Die Regelung des Durchflusses des Gasstroms durch die Ventilöffnung des Sicherheitsventils erfolgt ausschließlich über einen Hub des zweiten Ventilkörpers und in Abhängigkeit der an der Spule angelegten Spannung.
In einer Ausgestaltung des Sicherheitsventils ist der erste Ventilkörper unmittelbar an dem Anker angeordnet.
Eine weitere Ausführung des Sicherheitsventils sieht vor, dass der Anker zumindest abschnittsweise von einer magnetischen oder nichtmagnetischen Hülse umgeben ist, an welcher der zweite Ventilkörper angeordnet ist. Der magnetische Anker ist innerhalb der Hülse beweglich angeordnet. Beim Anlegen einer Spannung auf oder über dem ersten kritischen Spannungswert bewegt sich der Anker innerhalb der Hülse in axialer Richtung und wirkt gegen die ebenfalls innerhalb der Hülse angeordnete erste Ventilfeder.
In einer vorteilhaften Ausführung stehen die erste Ventilfeder und die zweite Ventilfeder mit der Hülse in Eingriff. Die zweite Ventilfeder wird getrennt von der ersten Ventilfeder vorzugsweise die Hülse umschließend angeordnet, wobei eine Bewegung des Ankers auf die Hülse übertragbar ist, und mithin über die Hülse mittelbar auf die zweite Ventilfeder einwirkt. Der zweite Ventilkörper ist vorteilhafterweise ebenfalls an der Hülse angeordnet oder ausgebildet.
Als bauraumoptimierte Lösung ist bei dem Sicherheitsventil vorgesehen, dass das erste Ventil und das zweite Ventil koaxial angeordnet sind. Zudem ist eine Ausführung des Sicherheitsventils als auswechselbare Moduleinheit vorteilhaft. Eine derartige Moduleinheit zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise als singuläre Einheit aus, die unabhängig von anderen Komponenten einsetzbar ist. Beispielsweise kann eine derartige Moduleinheit in einen Gasweg eingesetzt werden, in dem auch zusätzliche Regelventile verbaut werden.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur modulierenden Regelung des vorstehend beschriebenen Sicherheitsventils, wobei an der Spule eine Spannung mit einem ersten kritischen Spannungswert angelegt wird, bei dem sich der Anker bewegt und dadurch das erste Ventil öffnet, und anschließend die Spannung in einem Bereich oberhalb des ersten kritischen Spannungswert geregelt wird. Die Regelung der Spannung oberhalb des ersten kritischen Spannungswertes bestimmt eine Öffnungsstellung des zweiten Ventils zwischen der Schließstellung und der vollständigen Öffnungsstellung auch in Teilöffnungsstellungen und somit die Durchflussmenge des Gasstroms durch die Ventilöffnung des Sicherheitsventils.
Das Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sich das erste Ventil bei dem an der Spule angelegten ersten kritischen Spannungswert schlagartig und vollständig öffnet. Wie vorstehend beschrieben bleibt das zweite Ventil bei diesem ersten kritischen Spannungswert aufgrund der höheren Federrate der zweiten Ventilfeder gegenüber der ersten Ventilfeder noch geschlossen und öffnet erst bei einem höheren Spannungswert. Die Regelung der Spannung oberhalb des ersten kritischen Spannungswertes erfolgt in einer Ausgestaltung entlang zumindest einer Kennlinie, wobei der zweite Ventilkörper des zweiten Ventils kontinuierlich und in Abhängigkeit der an der Spule angelegten Spannung versetzbar ist, so dass die Durchflussmenge des Gasstroms durch die Ventilöffnung in Abhängigkeit der an der Spule angelegten Spannung zwischen der Schließstellung und der vollständigen Öffnungsstellung auch in beliebigen Teilöffnungsstellungen kontinuierlich regelbar ist. Das Sicherheitsventil bietet dadurch neben der Sicherheitsfunktion zudem eine Regelfunktion als Regelventil.
Das Verfahren ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil nur öffnet, wenn das erste Ventil vollständig offen ist. Die Regelung der Durchflussmenge des Gasstroms wird mithin ausschließlich über das zweite Ventil realisiert und beeinflusst. Das erste Ventil bleibt stets vollständig offen und beeinträchtigt die Regelung nicht.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 eine seitliche Schnittansicht eines Sicherheitsventils;
2 ein Diagramm mit Kraft-Weg-Kennlinien;
3 ein Diagramm mit Ventilöffnungs-Regelungskennlinien.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines als Moduleinheit ausgebildeten Sicherheitsventils 1 in einer Ausführung als Doppelsicherheitsventil mit zwei koaxial zueinander angeordneten Ventilen in einer seitlichen Schnittansicht gezeigt. Das Sicherheitsventil 1 ist in der geschlossenen Position und kann in der gezeigten Ausführung in einen beispielsweise durch eine Gas-Luft-Gehäuse gebildeten Gasweg eingesetzt und befestigt werden. Dabei erfolgt die Abdichtung mit der Dichtung 21.
Innerhalb eines Ventilgehäuses 20 ist eine elektrische Spule 2 angeordnet, die einen magnetischen Anker 3 in dessen axial oberen Abschnitt umschließt. Der Anker 3 ist in einer magnetischen oder nichtmagnetischen Hülse 10 aufgenommen, die wiederum von einer Abdeckung 22 umgeben ist. Der Anker 3 steht in axialer Richtung aus dem Gehäuse 20 hervor und weist an seinem axialen Ende einen Vorsprung 11 zur Aufnahme des ersten Ventilkörpers 4 auf, der an dem ersten Ventilsitz 6 des ersten Ventils aufliegt. Zwischen dem Anker 3 und der Hülse 10 ist die erste Ventilfeder 5 angeordnet, welche eine permanente axiale Federkraft in axialer Richtung auf den Anker 3 und mithin den ersten Ventilkörper 4 ausübt. Das zweite Ventil wird gebildet durch den an der Hülse 10 befestigten zweiten Ventilkörper 7, den zweiten Ventilsitz 9 und die zweite Ventilfeder 8, die eine permanente axiale Federkraft gegen die Hülse 10 und mithin den zweiten Ventilkörper 7 ausübt. Die zweite Ventilfeder 8 stützt sich mittelbar an dem Gehäuse 20 ab.
Wenn an der Spule 2 eine Spannung angelegt wird, wird eine Magnetkraft in axialer Richtung auf den Anker 3 generiert, die der Federkraft der ersten Ventilfeder 5 und der zweiten Ventilfeder 8 entgegenwirkt. Die Federkonstante der zweiten Ventilfeder 8 ist größer als die Federkonstante der ersten Ventilfeder 5. Der Anker 3 bewegt sich ab Erreichen eines ersten kritischen Spannungswerts innerhalb der Hülse 10 schlagartig nach axial oben und komprimiert die erste Ventilfeder 5. Der Anker 3 liegt dann axial stirnseitig an der Hülse 10 an, der erste Ventilkörper 4 ist von dem ersten Ventilsitz 6 gelöst und das erste Ventil somit vollständig offen. Die zweite Ventilfeder 8 bleibt beim ersten kritischen Spannungswert aufgrund der höheren Federrate noch unkomprimiert, so dass der zweite Ventilkörper 7 noch auf dem zweiten Ventilsitz 9 aufliegt und das Sicherheitsventil 1 geschlossen hält. Bei einer Erhöhung der Spannung über den ersten kritischen Spannungswert hinaus, wird die Magnetkraft auf den Anker 3 weiter erhöht, wodurch der Anker 3 zusammen mit der Hülse 10 innerhalb der die Axialbewegung der Hülse 10 begrenzenden Abdeckung 22 in axialer Richtung nach oben gedrückt werden und dadurch die zweite Ventilfeder 8 komprimieren. Bei einem ausreichend hohen Spannungswert beginnt sich der zweite Ventilkörper 7 von dem zweiten Ventilsitz 9 zu lösen, wodurch das zweite Ventil und mithin das Sicherheitsventil 1 geöffnet wird. Aufgrund der ausreichend hoch festgelegten Federrate der zweiten Ventilfeder 8 wird diese nicht schlagartig, sondern in Abhängigkeit des Spannungswerts kontinuierlich komprimiert.
Das zweite Ventil und mithin das Sicherheitsventil 1 werden somit über die an der Spule angelegte Spannung bezüglich der Durchflussmenge des Gasstroms durch die Ventilöffnung zwischen einer Schließstellung und einer vollständigen Öffnungsstellung auch in beliebigen Teilöffnungsstellungen kontinuierlich regelbar.
Da die Öffnung des zweiten Ventils, d.h. der Hub des zweiten Ventilkörpers 7 erst oberhalb des ersten kritischen Spannungswerts erfolgt, bleibt das erste Ventil zum Zeitpunkt der Regelung des zweiten Ventils durchgehend vollständig offen und beeinflusst die Regelung nicht. Bei einer Reduzierung der an der Spule 2 angelegten Spannung auf den ersten kritischen Spannungswert schließt das zweite Ventil kontinuierlich, bei einer weiteren Reduzierung der Spannung auf einen Wert unterhalb des ersten kritischen Spannungswerts schließt zudem das erste Ventil schlagartig.
2 zeigt ein Diagramm mit Magnetkraft-Weg-Kennlinien 100 bei verschiedenen Spannungen, aus denen sich der ansteigende Hub H des ersten und zweiten Ventilkörpers 4, 7 bei steigender angelegter Spannung U und einer sich daraus erhöhenden Magnetkraft F auf den Anker 3 ergeben. Ab Erreichen des ersten kritischen Spannungswerts gekennzeichnet durch Linie 200, bewegen sich der Anker 3 und der erste Ventilkörper 4 gemäß Linie 300 schlagartig in die vollständig offene Öffnungsstellung, während die Spannung und Magnetkraft im Wesentlichen konstant bleiben. Bei der weiteren Erhöhung der Spannung gemäß Linie 400 steigt die Magnetkraft auf den Anker 3, wobei sich der zweite Ventilkörper 7 am Ende der Linie 400 kontinuierlich beginnt anzuheben, Linie 600, und das zweite Ventil öffnet sich. Die Steigung der Linie 600 ist über die Federrate der zweiten Ventilfeder 8 einstellbar. Zum Vergleich kennzeichnet Linie 500 ein nicht-erfindungsgemäßes schlagartiges Öffnen auch des zweiten Ventils, was einem nicht regelbaren AUF-ZU-Ventil entspricht.
3 zeigt ein Diagramm mit Ventilöffnungs-Regelungskennlinien (Modulationskennlinien) bei einem beispielhaft festgelegten Gaseingangsdruck von 20mbar. Gegenüber AUF-ZU-Ventilen lässt sich der Volumenstrom V durch das Sicherheitsventil 1 kontinuierlich in Abhängigkeit der an der Spule 2 angelegten Spannung U entlang der Kennlinien regeln. Die rechtsseitige Kennlinie bestimmt das Öffnen, die linksseitige Kennlinie das Schließen des zweiten Ventils und somit des Sicherheitsventils 1.

Claims

Sicherheitsventil (1) zur Steuerung eines Gasstroms, ausgebildet als Doppelsicherheitsventil, mit einem durch eine an einer Spule (2) angelegten Spannung bewegbaren magnetischen Anker (3), einem ersten Ventil mit einem ersten Ventilkörper (4), einer ersten Ventilfeder (5) sowie einem ersten Ventilsitz (6), und einem zweiten Ventil mit einem zweiten Ventilkörper (7), einer zweiten Ventilfeder (8) sowie einem zweiten Ventilsitz (9), wobei eine Bewegung des Ankers (3) aus einer Schließstellung des Sicherheitsventils (1) zunächst gegen eine Federkraft der ersten Ventilfeder (5) wirkt und den ersten Ventilkörper (4) von dem ersten Ventilsitz (6) löst und die Bewegung des Ankers (3) anschließend gegen eine Federkraft der zweiten Ventilfeder (8) wirkt und den zweiten Ventilkörper (7) von dem zweiten Ventilsitz (9) löst und damit eine Ventilöffnung für einen Durchfluss des Gasstroms freigibt, wobei eine Federkonstante der zweiten Ventilfeder (8) größer ist als eine Federkonstante der ersten Ventilfeder (5) und eine Durchflussmenge des Gasstroms durch die Ventilöffnung in Abhängigkeit der an der Spule (2) angelegten Spannung zwischen einer Schließstellung und einer vollständigen Öffnungsstellung auch in Teilöffnungsstellungen kontinuierlich regelbar ist.
Sicherheitsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ausgebildet ist, dass die Regelung des Durchflusses des Gasstroms durch die Ventilöffnung des Sicherheitsventils (1) ausschließlich über einen Hub des zweiten Ventilkörpers (7) und in Abhängigkeit der an der Spule (2) angelegten Spannung erfolgt.
Sicherheitsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventilfeder (5) eine Federkonstante aufweist, die ausgebildet ist, dass die Bewegung des Ankers (3) ab einem ersten kritischen Spannungswert erfolgt und den ersten Ventilkörper (4) vollständig und schlagartig von dem ersten Ventilsitz (6) in eine vollständig offene Öffnungsstellung versetzt.
Sicherheitsventil nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ventilfeder (8) eine Federkonstante aufweist, die ausgebildet ist, dass sich der zweite Ventilkörper (7) erst nach Überschreiten des ersten kritischen Spannungswert von dem zweiten Ventilsitz (9) löst und eine Öffnungsstellung des zweiten Ventilkörpers (7) durch die an der Spule (2) angelegte Spannung regelbar ist.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ventilkörper (4) unmittelbar an dem Anker (3) angeordnet ist.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (3) zumindest abschnittsweise von einer Hülse (10) umgeben ist, an welcher der zweite Ventilkörper (7) angeordnet ist.
Sicherheitsventil nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (10) magnetisch oder nichtmagnetisch ausgebildet ist.
Sicherheitsventil nach dem Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ventilfeder (5) und die zweite Ventilfeder (8) mit der Hülse (10) in Eingriff stehen.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil und das zweite Ventil koaxial angeordnet sind.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als auswechselbare Moduleinheit ausgebildet ist.
Verfahren zur modulierenden Regelung des Sicherheitsventils (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Spule (2) eine Spannung mit einem ersten kritischen Spannungswert angelegt wird, bei dem sich der Anker (3) bewegt und dadurch das erste Ventil öffnet, und anschließend die Spannung in einem Bereich oberhalb des ersten kritischen Spannungswert geregelt wird, wobei die Regelung der Spannung oberhalb des ersten kritischen Spannungswertes eine Öffnungsstellung des zweiten Ventils zwischen der Schließstellung und der vollständigen Öffnungsstellung auch in Teilöffnungsstellungen und somit die Durchflussmenge des Gasstroms durch die Ventilöffnung des Sicherheitsventils (1) bestimmt.
Verfahren nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Durchflusses des Gasstroms durch die Ventilöffnung des Sicherheitsventils (1) ausschließlich über einen Hub des zweiten Ventilkörpers (7) und in Abhängigkeit der an der Spule (2) angelegten Spannung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich das erste Ventil bei dem an der Spule (2) angelegten ersten kritischen Spannungswert schlagartig und vollständig öffnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Spannung oberhalb des ersten kritischen Spannungswertes entlang zumindest einer Kennlinie erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil nur öffnet, wenn das erste Ventil vollständig offen ist.